設計により伸びたり破損したりする3Dプリントメタマテリアル

February, 19, 2026, Cambridge--MITで開発された新しいフレームワークは、プリント可能な織物や機能性フォームなどの適合材料の設計・製造を支援し、変形や材料の破損を予測できるようにする。

メタマテリアルとは、化学組成ではなく内部の微細構造によって主に特性が決まる材料であり、過去10年間にわたり工学材料の分野を再定義してきた。しかしこれまでのところ、ほとんどのメタマテリアルは剛性と強度を重視して軽量に設計されている。

MIT機械工学科の新しい研究は、軟質でコンプライアンス(適合性)があり変形可能な新しいメタ材料クラスの創出を支援する計算設計フレームワークを導入した。これらのメタマテリアルは3D織りメタマテリアルと呼ばれ、絡み合った繊維で構成された構成要素が自己接触・絡み合い、素材に独自の特性を与えている。

「ソフトロボティクス、生体医療機器、さらにはウェアラブルデバイスや機能的繊維などの新興の工学的課題にはソフト素材が必要とされている」と、Robert N. Noyce Career Development教授であり機械工学准教授のCarlos Portelaは説明している。

ポルテラ研究室の研究チームは、Nature Communications誌にオープンアクセスで発表された論文で、幅広い特性を持つ複雑な3D織物メタマテリアルを生成するユニバーサルデザインフレームワークを提供している。また、ユーザが仕様に適合したデザインを作成し、3Dプリンタで材料をプリントまたはシミュレーションするためのファイルを生成できるオープンソースコードも提供している。

「普通の編み物や織物は何百年もの間、ハードウェアによって制約されてきた。例えば、服を作れるパターンはごくわずかだ。しかし、ハードウェアがもはや制約でなくなった場合、それは変わる。この枠組みがあれば、テキスタイルの挙動を完全に変える興味深いパターンを生み出せる」とPortelaは言う。

可能な応用例としては、人間の皮膚と共に動くウェアラブルセンサ、航空宇宙や防衛用の織物、柔軟な電子機器、それにその他様々なプリント可能なテキスタイルが含まれる。

チームはメタマテリアルのグラフ表現を提供する一般的な設計ルールをアルゴリズムの形で開発した。このグラフの属性が最終的に各ファイバのメタマテリアル内での配置と接続を決定する。基本的な構成要素は織り込まれたユニットセルであり、織り込まれたストラットを構成する繊維の半径やピッチなどの設計パラメータを制御することで機能的にグレードアップできる。

「このフレームワークにより、これらのメタマテリアルはある部分は柔らかく、別の部分は硬くしたり、伸びるたびに形状を変えたりできるため、従来のソフト素材では設計が難しい卓越した挙動の範囲を示すことができる」と、研究の筆頭著者、Molly Cartonはコメントしている。同氏はPortela研究室で元ポスドクを務め、現在はメリーランド大学の機械工学助教授である。

さらに、シミュレーションフレームワークはこれらの材料の変形応答を予測し、繊維内の自己接触や絡み合いなどの複雑な現象を捉え、変形や裂け目パターンを予測・抵抗する設計も可能にする。

「最も興奮したのは、これらの材料で失敗を調整し、任意の組み合わせを設計できたことだった。シミュレーションに基づいて、われわれは空間的に変化するジオメトリを製造し、それをミクロスケールで実験することができた」(Portela)。

この研究は、拡張性と耐久性を持つ新興のメタマテリアルクラスを設計、プリント、シミュレートするためのツールを初めて提供したものである。また、幾何学的パラメータの調整を通じて、ユーザがこれらの材料がどのように変形や破損するかを制御・予測できることを示し、織物メタマテリアルの特性空間を大幅に拡張するいくつかの新しい設計要素を提示している。

「これまで、これらの複雑な3D格子は手作業で、丹念に設計されてきたため、誰もが試した設計の数が限られている」とCartonは話している。「われわれはこれらの編まれた格子がどのように機能するかを説明し、それを用いて任意の編まれた格子のデザインツールを作ることができた。その設計の自由度により、格子が伸びるにつれて形が変わる様子、繊維同士がどのように絡み合い結び目になるか、さらに限界まで伸ばしたときにどのように裂けるかを設計できるの。」

Cartonは、この枠組みが多くの分野で有用になると考えている。「このフレームワークをソフトウェアツールとしてリリースすることで、他の研究者が織り格子を使って何が可能かを探求し、この設計の柔軟性を新たに活用する方法を見つけることを期待している」と同氏は話している。「われわれの仕事がどんな扉を開くのか楽しみだ。」

論文“Design framework for programmable three-dimensional woven metamaterials,”は現在、学術誌Nature Communicationsで公開されている。